基于滑模观测器的机电作动系统容错控制研究_吴玥铭.pdf

第43 卷第1期2023 年2 月飞机设计AICAFT DESIGNVol 43 No 1Feb2023收稿日期:2021 10 25;修订日期:2022 12 10作者简介:吴玥铭(1996)，男，硕士引用格式:吴玥铭，周靖翔，宋志军，等 基于滑模观测器的机电作动系统容错控制研究 J 飞机设计，2023，43(1):50 54 WU Yueming，ZHOU Jingxiang，SONG Zhijun，et al esearch on Fault-tolerant Control Method of Electromechanical Actuating System Based on Slid-ing Mode Observer J Aircraft Design，2023，43(1):50 54文章编号:1673 4599(2023)01 0050 05doi:1019555/j cnki1673 4599202301010基于滑模观测器的机电作动系统容错控制研究吴玥铭，周靖翔，宋志军，葛泽华，杨玉梁，罗嘉宁(沈阳飞机设计研究所，辽宁 沈阳110035)摘要:机电作动器(Electro-Mechanical Actuator，EMA)正在逐步代替液压/气压作动器而广泛应用于航空航天、军事等领域，特别是在多电/全电飞行器中，机电作动系统已引来大量学者开展各类型研究。在 EMA 的控制方法和实际应用逐渐成熟的前提下，进一步提高系统的可靠性得到广泛的关注。在 EMA 运行过程中能够进行实时的故障检测并保证系统的正常运行，有效提高系统可靠性对于 EMA 的应用具有重要意义。本文提出一种基于滑模观测器的容错控制方法，为 EMA 在工程应用中有效识别系统的运行状态提供重要手段，具有重要的理论意义和工程应用价值。通过仿真验证得出此方法可靠有效，验证了在系统运行过程中能够快速的识别故障并切换控制，表明 EMA 系统在此控制方法下具有很好的故障识别和故障隔离能力。关键词:机电作动器;滑模观测器;容错控制中图分类号:V249.12文献标识码:Aesearch on Fault-tolerant Control Method of ElectromechanicalActuating System Based on Sliding Mode ObserverWU Yueming，ZHOU Jingxiang，SONG Zhijun，GE Zehua，YANG Yuliang，LUO Jianing(Shenyang Aircraft Design esearch Institute，Shenyang110035，China)Abstract:Electro mechanical actuator(EMA)is gradually replacing hydraulic/pneumatic actuator andbecoming widely used in aerospace，military and other fields，especially in multi electric/all electric air-craft EMA system has attracted a large number of scholars to carry out various types of research Underthe background that the control methods and practical application of EMA gradually mature，further im-proving the reliability of the system has been widely concerned In the process of EMA operation，it is ofgreat significance to carry out real-time detection to ensure the normal operation of the system In this pa-per，an intelligent fault-tolerant control method based on sliding mode observer is proposed，which pro-vides an important mean for EMA to effectively identify the running states of the system in engineeringapplication The proposed method has great theoretical significance and engineering application value Thesimulation results show that this method is reliable and effective，and that it can quickly identify faults andswitch control during the system operation，indicating that the EMA system has good fault identificationand fault isolation capabilities under this control methodKey words:electro mechanical actuator;sliding mode observer;fault-tolerant control随着电力电子技术的发展，多电化甚至全电化已逐渐成为航空航天领域的发展趋势。多电化的目的是为了利用电能替代液压、气动等二次能源，解决液压装置体积大、质量大、易泄漏等缺陷，从而有效提高系统的可靠性，并提升系统的综合控制性能1 2。作动器作为舵面的驱动装置备受关注，其中电静液作动器(Electro-hydrostatic Actu-ator，EHA)和机电作动器(Electro-mechanical Ac-tuator，EMA)为 2 个研究方法3。EHA 依然具有液压体积大、质量大、维护复杂等缺点4。而EMA 完全舍弃了液压装置，结构简单，易于维护，图 1 为机电作动器实物。其中电机作为 EMA 的驱动机构，一旦出现故障将会导致系统彻底瘫痪。本文针对电机角位置传感器的开路故障提出一种基于滑模观测器的容错控制方法，实现机电作动系统在此故障下进行识别和故障隔离，保证系统的正常运行5。图 1机电作动器1机电作动系统数学建模本节分别对电机和丝杠进行数学建模，其中电机为永磁同步电机(PMSM)。1.1永磁同步电机建模永磁同步电机的数学模型包括4 组方程:电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程。为了简化分析，假设三相永磁同步电机为理想电机，且满足下列条件:(1)忽略电机铁芯的饱和。(2)不计电机中的涡流和磁滞损耗。(3)电机中的 电 流 为 对 称 的 三 相 正 弦 波电流。这样，自然坐标系下永磁同步电机的三相电压方程6 u=i+ddt(1)磁链方程为=Li+f F(e)(2)式中:为三相绕组的磁链;u 为三相绕组的相电压;为三相绕组的相电阻;i 为三相绕组的相电流;L 为三相绕组的电感;f为永磁磁链;F(e)为三相绕组的磁链。根据机电能量转换原理，电磁转矩 Te等于磁场储能对机械角 位移的偏导，因此有Te=12pn(iT)(3)式中:pn为三相 PMSM 的极对数。另外，电机的机械运动方程Te=Jdmdt+TL(4)式中:m为电机的机械角速度;J 为转动惯量;TL为负载转矩。上述式(1)式(4)构成了永磁同步电机的数学模型。1.2丝杆建模根据前文可知，机电作动器是将电机的旋转运动转换成丝杠的直线运动，因此需要建立丝杠的数学模型来分析 EMA 中机械传动机构的运动情况。机械传动部分的数学模型主要分为2 个，丝杠的直线速度和机电作动器的推力。令减速器的减速比为 n，行星滚柱丝杠的导程为 p，电机转子的角速度为，则丝杠的直线速度可表示为v=np2(5)设机电作动器推力为 F，为作动器的效率，则电机的扭矩可表示为Tm=Fp2n(6)2容错控制算法本文的容错控制算法基于滑模观测器算法，在永磁同步电机数学模型的基础上，通过滑模变结构控制设计滑模观测器，可以获得转子的位置和速度信息7，从而实现永磁同步电机的容错控制。2.1滑模控制滑模控制是变结构控制系统的一种控制策略，这种控制策略与常规控制的根本区别在于控制的不连续性，即一种使系统结构随时间变化的开关特性。这种特性可以使系统在一定条件下沿规定的状态轨迹做小幅、高频率的上下运动，这就15第1 期吴玥铭等:基于滑模观测器的机电作动系统容错控制研究是所谓的滑动模态。这种滑动模态是可以设计的，并且与系统的参数和扰动无关，因此，处于滑动模态的系统具有很好的鲁棒性。2.2滑模变结构控制的抖振问题从理论上来讲，由于系统的外界干扰和控制对象的参数变化不影响系统的滑模运动，且鉴于滑动模态具有按需设计的特点，与常规的连续系统相比，滑模变结构控制系统具有较强的鲁棒性。滑模变结构控制在电机控制系统中的工程应用还存在着一些问 题，其 中 最 为 突 出 的 就 是 抖 振问题8。理想情况下，滑模运动属于降维的光滑运动，不会产生抖振问题，但在实际运用中，不可能实现理想的开关切换;因此会导致时间延迟及空间滞后。另外，受到系统惯性的影响，以及离散系统本身产生的抖振，这些因素都会使系统发生抖振。抖振的存在影响了控制性能，增加了额外的能量损耗，甚至会导致系统发生振荡。在具体工程应用中，抖振是不可能被完全消除的。从另一个角度来看，高频开关切换导致了抖振，若完全消除了抖振，系统也就不再具备良好的抗干扰能力。因此，抗扰动能力和抖振问题是一对矛盾，需要在抗扰动能力及抖振问题上取得一个平衡，在满足系统鲁棒性的前提下，尽可能地减轻抖振。2.3滑模观测器的设计传统滑模观测器(SMO)算法的原理框图如图2 所示，图中:u，u为定子电压;i，i为定子电流;i，i为定子电流的观测值;E，E为扩展反电动势;e为转子的角位置。图 2传统 SMO 算法原理为了解决传统滑模感测器算法的抖振问题，本文将用具有光滑连续特性的 sigmoid(s)函数代替符号函数 sgn(s)，其表达式为sigmoid(s)=21+exp(as)1(7)a 为连续函数的斜率，a 0。斜率 a 取值越小，连续函数的曲线越光滑，系统抖振也会越小。相反斜率 a 取值越大，系统抖振也随之增大。连续函数的示意图如图 3 所示。基于滑模感测器的三相 PMSM 无传感器控制框图如图4 所示，后面将会根据此框图进行仿真验证。图 4 中，PI 为比例积分;SVPWM 为空间矢量脉宽调制。图 3sigmoid 函数示意图 4基于 SMO 的三相 PMSM 无传感器控制框图3仿真根据上文的机电作动系统数学建模和容错控制算法进行仿真建模分析，利用 Matlab/Simulink进行建模。本节对系统添加传感器的开路故障，验证机电作动系统在容错控制下是否能快速的识别故障，并进行故障隔离。在 Matlab/Simulink 中搭建的容错控制切换和故障发生模块如图 5 所示，容错控制模块如图 5(a)所示，容错控制模块实现了故障检测和控制切换的功能。模型中通过故障发生模块人为的给系统加入传感器开路故障，故障发生模块如图 5(b)所示。这个模块所能实现的功能是可以在运行中的某一时刻将转子的位置信号置 0，从而模拟出传感器开路故障。图 5容错控制和故障发生模块仿真中参数如表 1 所示。位移指令 1.7 m，仿真时间 15 s，在 2 s 时刻添加传感器故障，运行结果如图6 所示。图6 所示的是系统的位移波形，从图6 中看出，运行过程中几乎没有由于传感器的故25飞机设计第43 卷障受到干扰，可